ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ. 1η ενότητα

Transcript

1 1η ενότητα 1. Εναλλάκτης σχεδιάζεται ώστε να θερμαίνει 2kg/s νερού από τους 20 στους 60 C. Το θερμό ρευστό είναι επίσης νερό με θερμοκρασία εισόδου 95 C. Οι συντελεστές συναγωγής στους αυλούς και το κέλυφος είναι 2000 και 1000 W/m 2 C αντίστοιχα και η αντίσταση του τοιχώματος μπορεί να αγνοηθεί. Ζητούνται τα ακόλουθα: (α) Αν ο εναλλάκτης λειτουργεί κατ' ομορροή, ποια η ελάχιστη απαιτούμενη παροχή θερμού νερού και ποια η απαιτούμενη επιφάνεια επαφής για παροχή θερμού νερού 20% υψηλότερη από την ελάχιστη; (β) Αν ο εναλλάκτης λειτουργεί κατ' αντιρροή, ποια η ελάχιστη απαιτούμενη παροχή θερμού νερού και ποια η απαιτούμενη επιφάνεια επαφής για παροχή θερμού νερού 20% υψηλότερη από την ελάχιστη; (γ) Βρείτε την επιφάνεια που απαιτεί η λειτουργία κατ' αντιρροή αν η παροχή θερμού νερού είναι ίση με αυτή που υπολογίστηκε για την ομορροή. 2. Εναλλάκτης θερμότητας χρησιμοποιείται για την θέρμανση 6000 Kg/h πετρελαίου από 26 C σε 102 C. Η θέρμανση γίνεται με συμπύκνωση κορεσμένου ατμού 110 C και η ειδική θερμότητα του πετρελαίου μπορεί να ληφθεί σταθερή και ίση με 2 kj/kg o C. Αντίθετα, ο ολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας μεταβάλλεται αισθητά με την θερμοκρασία του πετρελαίου (λόγω μεταβολής των φυσικών ιδιοτήτων), και για τον υπόψη εναλλάκτη είναι γνωστές οι εξής τιμές: Θερμοκρασία, C: U, W/m 2 o C: Να υπολογιστεί η απαιτούμενη επιφάνεια εναλλαγής, Α: - για μια μέση τιμή του U, - υποθέτοντας γραμμική μεταβολή του U με τη θερμοκρασία, - και στη γενική περίπτωση μεταβλητού U. 3. Εναλλάκτης αυλών-κελύφους τύπου 1-1 και επιφάνειας 35 m 2 θα χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση νερού 35 C, παροχής 40 kg/min. Ως θερμαντικό διατίθεται λάδι θερμοκρασίας

2 110 C, παροχής 171 kg/min και ειδικής θερμότητας 1,9 kj/kg o C. Αν ο ολικός συντελεστής συναγωγής είναι 145 W/m 2 o C, να υπολογισθούν οι θερμοκρασίες εξόδου των δύο ρευμάτων. 4. Εναλλάκτης διπλού σωλήνα συμπυκνώνει 113,7 Κg/h ατμού, σε σταθερή θερμοκρασία 50 C. Ως ψυκτικό χρησιμοποιείται νερό γεώτρησης (υφάλμυρο, brackish water) παροχής 0,9 Kg/s και θερμοκρασίας 10 C, που τροφοδοτείται στον εσωτερικό σωλήνα του εναλλάκτη. Ο σωλήνας είναι χαλύβδινος (k=45 W/m C) με OD=25,4mm και ID=22,1 mm. Ο συντελεστής συναγωγής από τη μεριά του ατμού είναι h ο = W/m 2 C. (α) Υπολογίστε το μέγεθος του εναλλάκτη για καθαρές επιφάνειες εναλλαγής. (β) Υπολογίστε το μέγεθος του εναλλάκτη χρησιμοποιώντας τις τιμές θερμικής αντίστασης αποθέσεων της ΤΕΜΑ. (γ) Αν ο εναλλάκτης (β) τεθεί σε λειτουργία καθαρός, υπολογίστε την απόκλιση από τιςτιμές σχεδιασμού συναρτήσει της ολικής αντίστασης αποθέσεων. Εξετάστε δύο στρατηγικές λειτουργίας: (γ1) με σταθερή παροχή νερού και (γ2) με σταθερό θερμικό καθήκον. 5. Επιδιώκεται η θέρμανση 9820 lb/h κρύου βενζολίου από τους 80 στους 120 F σε εναλλάκτη διπλού σωλήνα, χρησιμοποιώντας θερμό τολουόλιο που ψύχεται από τους 160 στους 100 F. Είναι επιθυμητή η πρόβλεψη συντελεστή επικαθήσεων 1000 Btu/(h ft 2 o F) για κάθε πλευρά και η αποφυγή πτώσης πίεσης μεγαλύτερης των 10 psi. Αν διατίθενται χαλύβδινοι σωλήνες μήκους 20 ft και μεγέθους 2 και 1 1/4 in IPS, να υπολογιστεί ο αριθμός των σωλήνων που απαιτούνται.

3 2η ενότητα 1. Κλάσμα πετρελαίου, παροχής 58,4tn/hr και ειδικής θερμότητας 1,8 kj/kg o C, ψύχεται από τους 72 στους 39 ο C σε εναλλάκτη αυλών-κελύφους με ένα πέρασμα αυλών. Ως ψυκτικό χρησιμοποιείται νερό θερμοκρασίας 15 ο C. Αν ο ολικός συντελεστής συναγωγής είναι 400W/m 2 o C, να υπολογιστούν η βέλτιστη θερμοκρασία εξόδου του νερού και το βέλτιστο μέγεθος του εναλλάκτη. Πως επηρεάζεται η βέλτιστη θερμοκρασία εξόδου από μεταβολές στο κόστος νερού ψύξης και στο κόστος κτήσης του εναλλάκτη; 2. Νερό παροχής 4 kg/s θα θερμανθεί από τους 40 στους 55οC στους αυλούς (3/4in) ενός εναλλάκτη αυλών-κελύφους. Στο κέλυφος που έχει ένα πέρασμα, θα τοποθετηθεί το θερμαντικό - επίσης νερό παροχής 2 kg/s και θερμοκρασίας στην είσοδο 95οC. Ο ολικός συντελεστής συναγωγής είναι 1400W/m 2 o C και η ταχύτητα του νερού στους αυλούς πρέπει να διατηρείται ίση με 0,4m/s. Αν λόγω περιορισμού στο χώρο το μήκος των αυλών δε πρέπει να ξεπερνά τα 2,5m, να υπολογίσετε τον αριθμό περασμάτων, τον αριθμό των αυλών ανά πέρασμα και το μήκος των αυλών ώστε να ικανοποιείται ο ανωτέρω περιορισμός. 3. Να σχεδιαστεί εναλλάκτης 1-2 που να ψύχει το ρεύμα της άσκησης 1, χρησιμοποιώντας νερό που θερμαίνεται από τους 15 ο C στους 30 ο C.

4 3η ενότητα 1. Υδατικό διάλυμα 10% NaOH στους 70 ο F, αναμιγνύεται με υδατικό διάλυμα 70% NaOH στους 200 ο F, για να δώσει διάλυμα 40% NaOH. (α) Αν η ανάμιξη γίνεται αδιαβατικά, ποια είναι η τελική θερμοκρασία του διαλύματος; (β) Αν η τελική θερμοκρασία είναι 70 ο F, πόση θερμότητα έχει απαχθεί από το σύστημα στη διάρκεια της διαδικασίας; 2. Σε εξατμιστήρα συμπυκνώνονται lb/hr ενός 10% υδατικού διαλύματος NaOH, σε 50%. Η θερμοκρασία εισόδου είναι 70 ο F και η συσκευή λειτουργεί σε απόλυτη πίεση 3 in Hg. Ποιος είναι ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας στον εξατμιστήρα; 3. Εξακόσια κιλά διαλύματος 10% c στους 93 C αναμειγνύονται με 400 kg διαλύματος 50% NaOH στο σημείο βρασμού. Υπολογίστε την τελική συγκέντρωση και θερμοκρασία του διαλύματος. 4. Σύστημα εξάτμισης πρόκειται να επιλεγεί για την πύκνωση kg/h υδατικού διαλύματος NaOH από 10% σε 50%. (α) Με βάση τις θερμοδυναμικές και άλλες ιδιότητες του διαλύματος (συντελεστές μεταφοράς, διαβρωτική συμπεριφορά κλπ.) να δικαιολογήσετε την επιλογή εξατμιστήρα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας. (β) Η τροφοδοσία γίνεται στους 30 C και για την θέρμανση χρησιμοποιείται ατμός 3 bar. Αν η πίεση λειτουργίας είναι 95 Torr και ο συνολικός συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U=2000 W/m 2 C, να υπολογιστούν: - Η απαιτούμενη επιφάνεια του εξατμιστήρα. - Η διάμετρος του διαχωριστή, αν η κρίσιμη ταχύτητα ατμού είναι 10m/s - Η απαιτούμενη παροχή νερού ψύξης (20 C) στο συμπυκνωτή.

5 (γ) Ο εξατμιστήρας είναι κατασκευασμένος από αυλούς διαμέτρου 5 cm και ύψους 4 m και η μέση ταχύτητα του υγρού στους αυλούς είναι 6 m/s. Με βάση τα στοιχεία αυτά να βρεθεί η ισχύς της αντλίας ανακυκλοφορίας του υγρού (βαθμός απόδοσης αντλίας n=0,75). 5. Εξατμιστήρας φυσικής κυκλοφορίας (τύπου θερμοσίφωνα) παρέχει kg/h ατμών καθαρού βουτανίου. Οι συνθήκες λειτουργίας του εξατμιστήρα είναι 20 atm και 109 C. Θερμότητα προσδίδεται με ατμό 10 atm. Σχεδιάστε κατάλληλα τον εξατμιστήρα ώστε η ανακυκλοφορία που επιτυγχάνεται να είναι τουλάχιστον 4:1.